直流穩(wěn)壓電源及漏電保護裝置設(shè)計與實現(xiàn)

徐云龍，孫旭日，曾昭獻

（九江職業(yè)技術(shù)學院，江西九江 332007）

一、系統(tǒng)方案

總體框圖如圖1所示。初始直流輸入信號5.5～27V，經(jīng)過直流穩(wěn)壓電源調(diào)整模塊后穩(wěn)壓輸出5V。手動轉(zhuǎn)換開關(guān)S不接漏電保護時，設(shè)計電壓提升、放大和穩(wěn)壓調(diào)整電路，使輸出電流1A。帶負載的過程中輸出電壓不小于4.6V。采樣調(diào)后的模擬電壓，經(jīng)過A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換后由微控制器進行分析，處理的結(jié)果再通過D／A數(shù)模轉(zhuǎn)換反饋給放大電路去比較，顯示模塊實時顯示各項參數(shù)。S切換到漏電保護控制模塊時，接入20Ω負載，當漏電流大于30mA，漏電保護動作，切斷工作電路，等排除漏電故障后，電路重新開始工作。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

采用單片開關(guān)電源進行電壓提升后，信號輸送到LM324運放電路同相比較、隔離、放大，再用7805穩(wěn)壓。信號取樣采用STM32內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換，外接電路簡單，信號不失真，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過STM32內(nèi)置的數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出，利用PID調(diào)整思路，軟件實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并實時顯示功率、電壓、電流參數(shù)。

采用處理功能更強大的32位微控制器STM32設(shè)計核心控制電路［1］，系統(tǒng)調(diào)試效率較高，失真度小，精度可以提高，甚至可以更方便實現(xiàn)顯示、打印、與微機通信等功能。

二、電路與程序設(shè)計

直流輸入信號是經(jīng)過單片開關(guān)電源電壓提升后7805穩(wěn)壓，提供放大電路中LM324所需的12V電壓和微控制器STM32的5V電壓。信號取樣模塊包括信號沒有漏電保護時的取樣和漏電保護工作時的取樣，采用STM32采樣后計算，再由STM32控制輸出調(diào)整電壓到LM324電路。顯示模塊為液晶顯示，由微控制器控制功率顯示，同時顯示電壓和電流。

1.電路總體設(shè)計

信號取樣分兩部分：電路沒有漏電保護時，直流穩(wěn)壓帶5Ω負載時的取樣；電路有漏電保護時，在漏電保護支路100Ω取樣電阻上的取樣，采用STM32內(nèi)置功能進行A／D、D／A轉(zhuǎn)換及顯示控制［2］，如圖3所示。

圖3 總電路設(shè)計

直流穩(wěn)壓電源調(diào)整模塊利用單片開關(guān)電源將5V～25V的電壓降到12V，給LM324供電，再用三端穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓5V，給STM32供電。穩(wěn)壓電路配備了必要的電阻、電容、晶體管來消除干擾，精確穩(wěn)壓。電壓放大電路部分采用集成運放LM324，跟蹤電壓提升后的信號，再比較微控制器PA4輸出的反饋信號，調(diào)整穩(wěn)壓輸出，實時液晶顯示功率、電壓、電流參數(shù)。

2.工作流程設(shè)計

圖4 直流穩(wěn)壓部分和漏電保護部分程序流程設(shè)計

軟件設(shè)計采用了誤差補償和線性差補法，并對采樣后的信號進行分析，每部分完成兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換控制，以及轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號的處理，測量出系統(tǒng)參數(shù)并實時顯示功率、電壓、電流。測電壓AD0、測電流AD 1為穩(wěn)壓模塊正常沒有漏電保護的情況下接5Ω的負載時的采樣信號，通過微控制器進行A／D轉(zhuǎn)換并處理［3］。測電壓AD 0、測電流AD 2為有漏電保護的情況下接20Ω的負載時的采樣信號，通過微控制器進行A／D轉(zhuǎn)換并處理。DAC輸出是微控制器處理后的數(shù)據(jù)再經(jīng)過內(nèi)部D／A轉(zhuǎn)換輸入到LM324放大電路進行同相比較的電壓信號，通過PID調(diào)整［4］確保穩(wěn)壓輸出供電。程序流程圖設(shè)計如圖4所示。

三、系統(tǒng)實現(xiàn)與測試結(jié)果

測量的技術(shù)指標有：頻率P、電壓U、電流I，測量儀器如下：

雙蹤示波器DF1641B型函數(shù)信號發(fā)生器 APS3003S穩(wěn)壓電源MS8050五位半萬用表 UT2062C

先調(diào)試單片機最小系統(tǒng)板、運算放大器、、顯示器件、小型繼、器、滑線變阻器 （50Ω／2A）、變?nèi)荻O管 （30pF～100pF）、紅外收發(fā)管。各單元調(diào)通后，進行整機調(diào)試，將各模塊連接在一起，用直流電壓輸入，對每一芯片的片選、啟動進行檢測，并對數(shù)據(jù)線和地址線也進行檢測。調(diào)試成功后再將程序?qū)懭胛⒖刂破鲀?nèi)進行調(diào)試，調(diào)試結(jié)果顯示，整個系統(tǒng)能夠正常工作。

I.輸入電壓7V～25V，電阻5.1Ω，如表1所示。電壓調(diào)整率的定義為：

式中Uo1是直流輸入電壓為7V時的輸出電壓，Uo2是直流輸入電壓為25V時的電源輸出電壓。根據(jù)以上參數(shù)算出Su＝0.6＜1%。

II.輸入電壓5.5V～7V，電阻5Ω，如表2所示。III.輸入電壓5.5V～25V，電阻20Ω，如表3所示。

表1 輸入電壓7V～25V，電阻5.1Ω時的參數(shù)

表2 輸入電壓5.5V～7V，電阻5Ω時的參數(shù)

表3 輸入電壓5.5V～25V，電阻20Ω時的參數(shù)

動作電流30mA，固定電阻為20Ω，漏電流I，｜△I｜＝｜I－30｜，要求漏電保護裝置動作電流誤差的絕對值X＝｜I－30｜／30≯5%。輸出電壓始終為5V，大于4.6V；漏電動作電流誤差最大2.0%，小于5%。

3.測試結(jié)果分析及改善

電路信號處理部分的元器件雖然經(jīng)過軟、硬件修正，在小幅值情況下，器件仍會有一定誤差。測量電壓由于誤差累計效應(yīng)使測量值與理論值存在微小差異。本系統(tǒng)以STM32控制電路為核心，精確設(shè)計電路板，盡量做到減小電磁干擾；充分利用軟件編程，并采用軟件補償，彌補元器件精度不足。本設(shè)計模擬電路處理和微控制器軟件處理并重，得到了精度較高的各項參數(shù)，設(shè)計靈活較容易實現(xiàn)。

〔1〕倪志蓮 .單片機系統(tǒng)設(shè)計與制作 ［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

〔2〕陳海宴.51單片機原理與應(yīng)用——基于Keil C與Proteus［M］.北京：北航出版社，2010.

〔3〕肖婧 .單片機系統(tǒng)設(shè)計與仿真－基于Proteus［M］.北京：北航出版社，2010.

〔4〕白志剛 .自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)解析與PID整定 ［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2012.